摘 要 ：本文简述了6kV变频器的主电路拓朴结构及控制方式，介绍了变频器比较选择和PowerFlex7000变频器用于扬州四水厂的工程实例。
关键词： 变频器 拓朴 控制
1 引言
众所周知,供水行业水泵机组实施变频调速方案,可以收到一定的节能效果和确保城市供水管网的运行安全。除直接经济效益外,还具有明显的社会效益。可以预计,大功率交流电机变频调速新技术的发展和应用是我国节能的主导方向之一,也是供水行业不断努力的目标。
2 目前现状
前些年，高压变频调速技术在大功率交流传动中推广应用较慢，其原因主要有两个：一是大功率电动机的供电电压高（笔者所在公司的29台三相交流异步电机均为6kV、单台最小功率185kW），而组成变频器的功率器件的耐压水平较低，造成电压匹配上的难题；二是高压大功率变频调速系统技术含量高，难度大，成本也高，而一般的水泵等节能改造都要求低投入、高回报，从而造成微观经济效益上的难题。在高压供电而功率器件耐压能力有限的情况下，目前，除罗克韦尔公司的电流型外，一般采用功率单元串联或功率器件串联的方法来解决高电压的问题。
3 主电路及控制电路的比较
3.1 主电路比较
目前市场上的高压变频器还没有低压变频器那样具有成熟的、一致性的主电路的拓朴结构，仅限于采用目前电压耐量的功率器件。如何面对高电压使用条件的要求，国内外各变频器生产厂家各有不尽一致的主电路结构，但都较为成功地解决了高电压大容量这一难题。异步电机高压变频器先后出现了电流型高压变频器、功率单元串联型高压变频器、二极管箝位三电平高压变频器、电容箝位四电平高压变频器、直接串联IGBT高压变频器、电压型高—低—高式高压变频器等多种拓朴结构。大功率高电压的变频器尤其以电压型和电流型二种较为普遍。目前，市场上一些知名品牌的变频器属电压型或电流型变频器。
（1）电压型变频器
电压型变频器是采用低耐压器件串联进行电压叠加，来满足高电压电机的使用要求。这类变频器的优点是一次性投资略低，但从理论上来讲，器件在串联使用时，因为各器件的动态电阻和极电容不同，而存在静态和动态均压的问题。如果采用与器件并联R（电阻）和RC（阻容）的均压措施，会使电路复杂，损耗增加;同时，器件的串联对驱动电路的要求也大大提高,要尽量做到串联器件同时导通和关断,否则由于各器件开断时间不一,承受电压不均,会导致器件损坏甚至整个装置崩溃。
（2）电流型变频器
电流型变频器目前主要是罗克韦尔公司的产品，尤其以其近年推出新一代的6kV变频器PowerFlex7000系列，用新型功率器件即对称门极换流晶闸管（SGCT）代替原先的GTO，使驱动和吸收电路简化，系统效率提高，6kV系统每个桥臂采用三只耐压为6500V的SGCT。PWM整流器，标准的谐波滤波器及功率因数补偿器，以使其谐波符合IEEE519-1992标准的规定。
PowerFlex7000系列6kV变频器的优点是易于控制电流，便于实现能量回馈和四象限运行;输入端采用可控器件实现PWM整流，该变频器采用功率器件串联的二电平逆变方案，结构简单，使用的功率器件最少。同时设置了进线电抗器及滤波器，满足电网及系统对谐波的要求。
PowerFlex7000的性能与电机的参数有关,具有自适应调整系统,消除了有些品牌变频器的电流的谐波成分大,污染和损耗较大,且共模电压高,对电机的绝缘有影响等不足。但PowerFlex7000的不足之处是一次性投资略高。
不同型式的6kV变频器，除主电路拓朴结构不相一致外，还有效率、谐波、和可靠性、冗余设计等问题也有所不同。
供水行业的机组变频调速装量的容量较大，随着人们节能意识的不断提高，对系统的效率问题认识也就愈加注重。采用不同的主电路拓朴结构，使用的功率器件的种类、数量的多少，以及变压器，滤波器等的使用，都会影响系统的效率。为了提高系统效率，必须设法尽量减少功率开关器件和变频调速装置的损耗。在多种6kV变频器中，PowerFlex7000属高-高电压等级（6kV进线—6kV出线）的电流型变频器，系统采用了冗余设计，脉宽调制技术（PWM），电流源逆变器（CSI）作为驱动端逆变器等的运用，使系统的性能得到进一步的提高。它的功率单元结构简单、性价比高及稳定可靠，能适应较宽的电压和功率范围。电力半导体器件的额定反向峰值电压PIV高达6500V，同电压等级、同容量变频器中，其功率器件最少。采用有源前端的PWM整流器，因此，它不需要输入裂相隔离变压器就可满足IEEE-519的要求。PowerFlex7000可以向电动机提供接近正弦波的电流、电压，降低了对散热条件和绝缘强度的要求。电压波形的dv/dt小于10V/ms。困扰电压型逆变器（VSI）的反射波形和dv/dt的问题在PowerFlex7000根本不存在，同时还在逆变器中应用了谐波选择消除结构（SHE），消除主要阶次的谐波（如3、5、7次谐波等），集成在变频器中的输出小电容器消除了其余的高次谐波，使整个输出波型接近完美正弦波。该装置还使用了SGCT（带集成门极驱动器的改进门极关断晶闸管GTO）。门极驱动器的位置靠近SGCT，控制回路阻抗低，它在降低门极开关时电流和电压的起伏程度方面大大优于传统的功率器件。
3.2 控制电路比较
早期通用变频器如东芝TOSVERT-130系列、FUJI FVRG5/P5系列，SANKEN SVF系列等大多数为开环恒压比（V/F=常数）的控制方式。其优点是控制结构简单、成本较低，缺点是系统性能不高。具体来说，其控制曲线会随着负载的变化而变化；转矩响应慢，电机转矩利用率不高，低速时因定子电阻和逆变器死区效应的存在而性能下降，稳定性变差等。对变频器U/F控制系统的改造主要经历了以下3个阶段；
（1）第1阶段:磁通轨迹控制
80年代初日本学者提出了基本磁通轨迹的电压空间矢量（或称磁通轨迹法）。该方法以三相波形的整体生成效果为前提，以逼近电机气隙的理想圆形旋转磁场轨迹为目的,一次生成二相调制波形。这种方法被称为电压空间矢量控制。典型机种如1989年前后进入中国市场的FUJI（富士）FRN5OOOG5/P5、SANKEN（三垦）MF系列等。1991年由富士电机推出的FVR与FRNG7/P7的设计中，三菱、日立，东芝等系列中也都有类似的产品。然而,在上述四种方法中,由于未引入转矩的调节，系统性能没有得到根本性的改善。
（2）第2阶段:磁场定向控制,也称矢量控制
它是70年代初由西德 F.Blasschke等人首先提出，以直流电动机和交流电动机比较的方法，分析阐述了这一原理，由此开创了交流电动机等效直流电动机控制的先河。它使人们看到交流电动机尽管控制复杂，但同样可以实现转矩、磁场独立控制的内在本质。矢量控制的基本点是控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流，使之成为转矩和磁场两个分量，经过坐标变换实现正交或解耦控制。但是，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量变换的复杂性，使得实际控制效果往往难以达到理论分析的效果，这是矢量控制技术在实践上的不足。此外，它必须直接或间接地得到转子磁链在空间上的位置才能实现定子电流解耦控制，在这种矢量控制系统中需要配置转子位置传感器或速度传感器，这显然给许多应用场合带来不便。因此，矢量控制技术仍然在努力融入通用型变频器中，1992年开始，德国西门子开发了6SE70通用型系列，通过FC、VC、SC板可以分别实现频率控制、矢量控制、伺服控制。1994年将该系列扩展至315kW以上。
（3）第3阶段：直接转矩控制
PowerFlex7000变频器正是采用了无速度传感器的直接转矩控制方法。这种方法允许电动机转矩快速变化而不影响电动机的磁通，且无需使用测速发电机即可达到较高的控制精度。直接转矩控制理论（Direct Torque Control简称DTC）是1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首先提出的。直接转矩控制与矢量控制不同，它不是通过控制电流、磁链等量来间接控制转矩，而是把转矩直接作为被控量来控制。转矩控制的优越性在于：转矩控制是控制定子磁链，在本质上并不需要转速信息；控制上对除定子电阻外的所有电机参数变化适应性良好；所引入的定子磁链观测器能很容易估算出同步速度信息。因而能方便地实现无速度传感器化。这种控制方法被应用于通用变频器的设计之中，是很自然的事，这种控制被称为无速度传感器直接转矩控制。然而，这种控制依赖于精确的电机数学模型和对电机参数的自动识别，通过ID运行自动确立电机实际的定子阻抗、互感、电动机负载的转动惯量等重要参数，然后根据精确的电动机模型，估算出电动机的实际转矩、定子磁链和转子速度，并由磁链和转矩的Band-Band控制产生PWM信号，对逆变器的开关状态进行控制。这种系统可以实现很快的转矩响应速度和很高的速度控制、转矩控制精度。直接转矩控制系统的技术性能指标：转矩响应速度已达到<2ms，在带PG时的静态速度精度达土0.01%，在不带PG的情况下即使受到输入电压的变化或负载突变的影响，可以达到土0.1％的速度控制精度。
4 工程实例
扬州第四水厂变频调速节电项目改造工程是与泵房改造相结合进行实施的。为确保该工程的顺利完成。从2002年初就进行了市场调研和考察。根据四水厂改造前的实际情况（5台机组，4用1备），对部份机组进行变频调速节能改造，使四水厂的供水能力能满足2005年的供水的峰谷期的变化需求。改造前后四水厂的二泵房机泵设备对照表如表1所示。
在扬州四水厂变频器改造项目的调研、考察、招投标的期间,从变频器的主电路的拓朴结构、装置的可靠性、控制方式、控制精度、效率、谐波、性价比及供水行业的使用效果等因素方面综合考虑,最终选择了罗克韦尔公司的PowerFlex7000变频器。其变频器室的土建工程按照安装3台套6kV电压等级,功率为630kW的变频器进行建设,全部工程于2005年5月底进行调试并投入试生产。
在变频器的控制方面采用就地和远程控制两种方式，应用罗克韦尔公司的MicroLogix500型PLC控制系统，设置了工作日与节假日不相同的，每天分24个时间段的压力数据表，并可实时在线修改其数据，实现了变频器开停、出水阀门的开关、压力调整等操作，同时还具有频率实时显示、曲线跟踪以及报警功能。使其运行控制实现了闭环、全自动化的分时段恒压供水的目标。
5 改造效果
该工程自2005年5月底进行调试并投入生产以来，运行情况良好，并具有一定的节能效果。
5.1 微观经济效益
（1）根据泵的出口压力量测
目前机组的实际运行情况是将泵的出口压力从原先的基本维持在0.45Mpa，由变频器根据设定的数据表自动调整为0.38Mpa～0.45Mpa,忽略变频调整后的短时间0.45Mpa压力值，设泵的出口压力由0.45Mpa调整为0.38Mpa，近似计算如下：
水泵的流量与转速成正比关系：Q1/Q2=n1/n2
水泵的压力与转速的平方成正比：N1/N2=（n1/n2）2
轴功率与转速的３次方成正比：P1/P2=（n1/n2）3
0.38Mpa/0.45Mpa=（n1/n2）2
n1/n2=0.919
P1/P2=（n1/n2）3=0.776=77.6%
由计算可知，电机消耗的功率为原来的77.6%，节能22.4%。
（2）由实际功耗测量节电效果
某季的单台630kW变频机组的实际功耗的日平均测试数如表2所示。
由表2的测试数据得:单台日节电量为2780kW·h，年节电量为2780×341=94.8万kW·h（全年以341天计算，扣除每月2天保养维护时间），考虑到变频器的效率为97.6%，则年实际节电量为92.5万kW·h，节约资金92.5×0.473=43.75万元。
5.2 宏观经济效益
（1）安全性
自该工程投运几年来，由于采用了恒压供水，从未发生过一起供水管网的主干管爆管事故，有效地保证了城市供水的安全，取得了较好的社会效益和经济效益，对维护城市的安定、和谐发挥了重要作用。
（2）政府奖励
由于该工程为扬州地区第一台6kV电压等级的大功率变频器项目，对本地区的各行业的高压变频器节能改造起到了示范作用。另一方面，由于该项目的成功实施，适应了电力需求侧负荷的调节要求，得到市政府和省政府能源主管部门的好评，并获得了江苏省节能项目奖。
6 结束语
电压等级为6kV的变频器目前市场上有较多的品牌，笔者认为，PowerFlex7000型变频器在供水行业6kV电机调速中应用效果较好。扬州水司根据该变频器在四水厂运行情况，于2006年下半年又购置了一台套PowerFlex7000型变频器，用于一水厂机组变频调速，以实现更好的经济效益和社会效益。笔者所述，供同行在选择6kV变频器设备时参考。
